酸雨胁迫对桉树纯林及混交林土壤pH和酶活性的影响

刘奎，何正峰，莫日彬，杨梅

(1.广西大学林学院，广西 南宁 530004；2. 广西七坡国有林场，广西 南宁 530000)

酸雨作为主要的环境问题之一，一直是全球关注的焦点[1]。尤其中国的南方地区受酸雨的危害最为严重[2，3]，并且在不断向我国北方地区蔓延。据研究报道，外源酸雨对土壤pH值和酸性磷酸酶活性影响显著[4]；脲酶和纤维素酶受到一定的抑制作用，而蔗糖酶存在被激活的趋势[5]；酸雨能够抑制转化酶的活性，但是显著增强了氧化氢酶活性[6]。由此可知，土壤酶活性与酸雨有着非常密切的内在关联性，土壤酶作为评价林地肥力和生态环境质量优劣的重要指标之一[7]，而且又可以表征土壤物质能量代谢旺盛的程度[8]，因此研究其对酸雨的响应具有重要的意义。

桉树是桃金娘科桉属植物，属于全球著名的三大速生树种之一[9]，在中国林业发展中有着举足轻重的地位[10]。前人对桉树的研究主要集中在种苗培育[11]、木材加工[12]、生态效益[13]和病虫害防治[14]等方面，但是酸雨对桉树纯林和混交林土壤酶活性的影响却鲜见报道。酸沉降是近年来造成森林衰亡的主要原因之一[15]，桉树作为我国重要的用材树种来说，酸雨对其生长以及生态环境的影响已经严重威胁到生态、经济、社会的和谐发展。该文以尾巨桉纯林与混交林(尾巨桉+大叶栎)的土壤为研究对象，对比分析两者在不同强度的酸雨处理下土壤酶活性的响应机制。

1 研究方法

1.1 供试材料

该研究的土壤采样地点位于广西南宁市国有高峰林场科技园，108°08′—108°53′ E，22°49′—23°15′ N，处于南宁盆地的北缘，属大明山山脉南伸的西支，地势东高西低，主要为丘陵和山地地貌，南亚热带季风气候，年平均温度21.8 ℃，年积温约7 200 ℃，年均降雨量约1 350 mm，降雨多集中在5—9月，年蒸发量1 250～1 620 mm。年日照时数1 450～1 650 h，相对湿度80%以上。地形为低丘，海拔为150～400 m，母岩为坡积母质和残积母质，中、厚土层占80%以上，质地为重壤至轻黏，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土层厚度为60～100 cm，保水保肥良好。采样时间为2016年5月，在广西南宁市国有高峰林场科技园的5年生尾巨桉人工纯林和5年生尾巨桉+大叶栎人工混交林(混交比例1∶1)两种林分采集土壤，在每个林分的上坡、中坡、下坡分别设置3个规格为20 m×20 m的样地，在每个样地内以对角线法均匀挖取3个土壤剖面，然后分0～10、10～20、20～30和30～40 cm四层采集土样。剔除植物残体、石块等侵入体，放置阴凉处保存，于2016年6月在苗圃进行淋溶试验。

1.2 试验设计

根据广西酸雨发生程度和平均离子组成配比，调配成H2SO4(98%)和HNO3(75%)体积比例为8∶1的酸雨母液，再用蒸馏水稀释，并划分为重度酸雨处理组(pH3.0)、中度酸雨处理组(pH4.0)和轻度酸雨处理组(pH5.6)，以蒸馏水(pH6.0)作为对照组，每一处理组设置5个重复。该研究采用土柱淋溶法，取同一林分类型的桉树人工林土壤混合，分层装入PVC管(高60 cm，内径 7.5 cm)，每层中间用窗纱或玻璃棉隔开，以便淋溶完毕后分开取出土壤和防止土粒流失，并在表层土壤层覆盖桉树落叶，以达到桉树人工林的最原始状态。淋溶装置是使用能控制流速的树体专用输液袋(1 L)倒挂在PVC管上方，下方用直径大于PVC管的漏斗罩住，且密封接口处，塑料管下方用广口瓶接取淋洗液。模拟酸雨试验所用酸雨总量相当于当地年均降水量，并折合树冠枝叶截留后的70%左右进行计算，进入林地土壤雨量约为910 mm·a-1。淋溶速率控制在30 mm·d-1，试验历时30 d。试验结束后，即刻测定土壤pH值，并将土样自然风干、磨碎，过0.2mm筛以备土壤酶活性的测定。

1.3 指标的测定

土壤的pH是使用便携式pH计(PHBJ-260型)测定；土壤酶活性的测定参照关松荫[16]的测定方法，土壤蔗糖酶采用3，5二硝基水杨酸比色法，土壤脲酶采用靛酚比色法，土壤过氧化氢酶采用容量法(高锰酸钾滴定法)，土壤蛋白酶采用茚三酮比色法测定。

1.4 数据的处理

数据的整理、汇总、分析等均由Excel 2010和SPSS 20.0完成，并对数据进行显著性检验(LSD法，P<0.01)和Pearson双侧相关性检验(P<0.01)。

2 结果与分析

2.1 酸雨对土壤pH的影响

由土壤pH随酸雨pH的变化趋势图(图1)可知，两种林分的土壤酸碱度均随着酸雨pH的降低而降低，但是尾巨桉纯林与尾巨桉+大叶栎混交林土壤各自对外源酸的缓冲能力却不尽相同。

图1 土壤pH随酸雨pH的变化趋势

供试土壤的初始pH值为4.9，空白对照组(pH6.0)处理下，尾巨桉纯林与尾巨桉+大叶栎的土壤pH均有略微的上升。当酸雨pH降低至4.0时，尾巨桉纯林的土壤pH迅速下降，比空白对照降低34.0%，而尾巨桉+大叶栎的土壤pH仅降低10.0%，但是当酸雨pH为3.0时，尾巨桉+大叶栎的土壤pH也呈现出迅速下降的趋势，两种林分的土壤pH几乎接近相同。由此可知，尾巨桉+大叶栎的土壤有较大的酸缓冲容量，对轻度和中度酸雨的胁迫有较好的抵抗能力，但是重度酸雨(pH3.0)已经超出该林分土壤对外源酸的缓冲能力范围。

2.2 酸雨对土壤酶活性的影响

2.2.1 土壤蛋白酶 在不同强度酸雨处理下，尾巨桉纯林与尾巨桉+大叶栎的土壤蛋白酶活性变化可知(见图2)，随着酸雨pH的下降，两种林分的土壤酶活性明显降低，而且相同强度的酸雨下，尾巨桉+大叶栎的土壤蛋白酶活性始终比尾巨桉纯林的高。在空白对照(pH6.0)，轻度酸雨(pH5.6)和中度酸雨(pH4.0)三种处理下，尾巨桉+大叶栎的土壤酶活性差异不显著，而与重度酸雨(pH3.0)处理达到极显著差异(P<0.01，下同)。轻中度酸雨处理下的尾巨桉纯林土壤酶活性与空白对照组差异极显著，并且与重度酸雨处理也达到极显著水平。由此说明酸雨pH低至5.6时，尾巨桉纯林的土壤蛋白酶活性就会受到抑制，而尾巨桉+大叶栎的土壤蛋白酶活性受到明显影响的酸雨pH在4.0左右。

图2 酸雨对土壤蛋白酶活性的影响

2.2.2 土壤脲酶 由图3可知，桉树纯林与桉树+大叶栎的土壤脲酶活性会随着酸雨pH值的降低而降低，变化趋势也基本一致。轻度酸雨(pH5.6)处理与空白对照组(pH6.0)对比，桉树+大叶栎土壤脲酶活性基本不变，而桉树纯林的土壤脲酶活性略有降低，但是均未达到显著水平。中度酸雨和重度酸雨处理下，桉树纯林和桉树+大叶栎的土壤酶活性与轻度酸雨处理和空白对照组达到差异极显著水平，并且桉树纯林与桉树+大叶栎的土壤脲酶活性也大致相同。由此可知，土壤脲酶活性随着酸雨pH值的变化趋势基本不受两种林分类型的影响。

图3 酸雨对土壤脲酶活性的影响

2.2.3 土壤蔗糖酶 由土壤蔗糖酶对不同强度酸雨的响应可知(见图4)，桉树纯林与桉树+大叶栎的土壤蔗糖酶活性会随着酸雨pH值的减小而呈现出先增后减的趋势。空白对照组(pH6.0)处理下，桉树纯林与桉树+大叶栎的土壤蔗糖酶活性分别为10.36 mg·g-1·d-1和11.99 mg·g-1·d-1，轻度酸雨(pH5.6)处理比空白对照分别高出30.8%和14.1%。中度酸雨(pH4.0)处理下，桉树纯林与桉树+大叶栎的土壤蔗糖酶活性分别比空白对照高出44.6%和16.3%，说明中度酸雨和轻度酸雨有利于提高土壤蔗糖酶活性，提升效果最为明显的是桉树纯林。但是当重度酸雨(pH3.0)处理时，两种林分的土壤蔗糖酶活性又迅速下降，极显著低于空白对照组，这可能是高浓度的H+直接或者间接的抑制土壤蔗糖酶活性。

图4 酸雨对土壤蔗糖酶活性的影响

2.2.4 土壤过氧化氢酶 由两种林分在不同强度酸雨处理下土壤过氧化氢酶活性的变化可知(见图5)，土壤过氧化氢酶活性会随着酸雨pH值的降低而减弱。空白对照组(pH6.0)与轻度酸雨(pH5.6)处理相比，桉树纯林和桉树+大叶栎的土壤过氧化氢酶活性差异不显著，与中度酸雨处理和重度酸雨处理达到极显著水平，说明中重度酸雨能够显著抑制土壤的过氧化氢酶活性。两种林分的土壤过氧化氢酶活性之间的差异不明显。

图5 酸雨对土壤过氧化氢酶活性的影响

2.3 相关性分析

由酸雨pH与土壤酶活性的相关性分析可知(见表1，表2)，桉树纯林和桉树+大叶栎的土壤过氧化氢酶活性与酸雨pH呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别高达0.992和0.995，说明酸雨对土壤过氧化氢酶活性的影响最为显著。桉树纯林的土壤过氧化氢酶活性与土壤脲酶活性呈显著正相关(R=0.972)，而土壤蔗糖酶活性与酸雨pH相关性最低，相关系数仅为0.387。酸雨pH与桉树+大叶栎土壤脲酶活性显著正相关，与土壤蛋白酶活性也高度相关(R=0.947)，但是并未达到显著水平。桉树+大叶栎土壤过氧化氢酶活性与土壤蛋白酶活性呈显著正相关(R=0.995)。

表1 桉树纯林的酸雨pH与土壤酶活性的相关性分析

表2 桉树+大叶栎混交林的酸雨pH与土壤酶活性的相关性分析

3 结论与讨论

不同土壤对酸化的缓冲能力有所不同，主要取决于土壤的无机物含量、组分、结构、pH值、碱饱和度、含盐量等。酸性较强的赤红壤、红壤的缓冲能力较弱，相对来说偏中性的土壤对酸的缓冲能力较强[17]。该研究表明，桉树纯林与桉树混交林的土壤pH随着酸雨pH的降低呈现出先上升后降低的趋势；桉树+大叶栎混交林对酸雨的缓冲能力较强；重度酸雨(pH3.0)时已经超出两种林分土壤对外源酸的缓冲能力范围。这种结果可能是因为桉树+大叶栎混交林的土壤中的无机物含量、含盐量和组分等维持在相对合理的范围，并且结构稳定，具有较好的抵抗逆境的能力。该研究结果与梁骏[18]等人的研究结果一致。

土壤酶作为土壤肥力的重要指标，众多有关酸雨对土壤酶的影响也是不尽相同。何伟静[19]等人模拟酸雨喷淋，研究其对青冈幼苗3种土壤酶活性的影响，结果表明酸雨的pH越低，对土壤蔗糖酶活性激活作用越明显，土壤脲酶活性也呈下降趋势。与本研究结果相似，但是也有不同之处。本研究结果表明，蔗糖酶活性随着酸雨pH的降低是先上升后下降，这种结果可能是由于供试土壤的不同造成的。土壤的过氧化氢酶活性与酸雨pH极显著正相关(P<0.01)，与蛋白酶活性呈正相关，但未达到显著水平。王涵[20]等人的研究结果也表明，土壤过氧化氢酶活性和蛋白酶活性都呈现出酸化抑制的规律。桉树纯林与混交林的土壤过氧化氢酶活性都与酸雨pH极显著正相关，说明酸雨对土壤的过氧化氢酶活性的影响最为显著，这与徐冬梅[4]等人的研究结果相吻合。但是土壤酸化导致土壤酶活性降低的原因有多种，如改变酶的肽链构象、影响其与底物的结合过程等，何种原因导致此结果仍不明确，还有待于进一步的研究和探讨。在相同pH酸雨处理下，桉树+大叶栎混交林土壤酶活性一般都比桉树纯林高，这反映了混交造林模式比纯林模式抗外界环境胁迫能力更强，内部结构更加稳定。

营造混交林或许能够成为抵抗酸雨胁迫的另一种有效措施，当然今后还将对其他混交模式进行综合研究，探讨酸雨对林木生长以及土壤环境的影响机理，以期能够为酸雨区桉树人工林退化生态系统的恢复和改造提供基础的数据参考。